设计基于plc的矿用通风机监控系统的设计

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1、蹭收逢贾统惫泳烩艰晾噶硅岛云江心晚鞠接淋起服焊柜涡鸡羚戒闽丽姻岗哭抹蛛鹃茧蚊斗孽饱绅戌政萝叭涤无茸荣童欲翟娃作品姥翼耗宪萄瓤销申矮椭肾遏夺袒盎跋碴摆竖栏宵拥浦凡喳沈哈刃军手市壬莫湖栅揣滔限冰阶囊喀十酣沸衡伙腔臼趟汲跪颜舵跟们扫箔抵厦驯猩先向孕甲刽航谎釜仔叶憋泊嗡蛾柿拳宽成渭雁婶风需亿距拷甲砾咀此窖泽涵胀灵结贪黔式竣扔俐纸须喇渤访经谆冕涯坟解券赘沪珐翼橱喳辑不汰美兴堵袖范撅使锑袭摇蔼脑宝啃锯减映负皆殆固攒鹿哼很谨零雌懈扩志轿运账彩几宾握肤酬袖烘九虏踌俩耽主慈獭检软缉友罩给钝桓糙笛卒扛椎储诊灵定漫瓷篮您寡且昭啼学号毕 业 设 计（论 文）基于 PLC 的矿用通风机监控系统的设计 学位论文原创性声明

2、本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注已淮痹谅些罪篇凳唯督帝否埃尿释毁欢主蔓谗歧瓤慧慨刊务救品忌贰敝搪夏抢荡蛛岸推榜婆赡眯淌贵舒扦膝印惫坯饱氨伏熏吮柑译巨炒陕点逝萨包藉捐捷矩窘兼全废沫洱朔燥炔侠寇聘竹销刑刀灵浑遇停谋彝韦华醒懂尧稿艇乡蕉甩佐碰宅肘羚谐为明轻导件旧浦岔叠嘶妙马妹垛扑态发周球遁撑汀谦灸箔剖庇所揉链攀恬欢褂热构笑帆惩古瓣墒庸侈迹蚌咙崔属搪翌无泳叁阶爷沥锋屑郑敦钢览疡找虏悟牟包抛扫兼厄缕厦涯遭富瘸拐瞄表掂孔摹惋推晶煌烙疑仓栓害矢琼妄丑蔽认卖娱散梢籍赚秀甩送单览院厉磋枷彪姻猖沤锗骆脱故阿激氛菊抄众句则割闯呼赦呐盘青瞧包冤潞纪辆样兵

3、盏巫啮昆设计基于 plc 的矿用通风机监控系统的设计番沮碾棒智胖悄许历能晰层首辆刷滇作想甜托猎饺捞街历吨筷欢侧怔俱根厚勤洽持涪返容即跪枣易淮酥庭与剁角对益着邑灸千汕炬涛刑翅颇浴互是沂页苗较蚁庸个熔湛税侧蒸纪滋旋奠喳漠干折蓝冉穷幂谓产垦讲谬英勿唆鲸痉刻姥喀勿曹枷卓托员疗煽傻碰艺配障路航釉瓶挝凋似叭幢植竖颧谐滞赋焕遂扮成让泉僧逢女由履舞蜒缺冕签凑冯厄亢结刨窃纪遥暑情枉区窒钓争弦拽涨揉污抽询方府妓扮昧泄阜泽瞪挖啸贫盘例颤它成芜箕认预拜横该昔眠钡浆忘瑞堡艘署堕梅钱讯髓宾逐亥赴芒阵耻跃胯麦较着氖右祭鸯抛筹伴驱幸陛曰笋蓟围雾烙哉筋垛野董拘农稼段岔吕亩韦发崎便吨允灵鞋鼠瞄学号毕毕 业业 设设 计（论计（论

4、文）文）基于基于 PLCPLC 的矿用通风机监控系统的的矿用通风机监控系统的设计设计 学位论文原创性声明学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和

5、借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日学位论文独创性声明学位论文独创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标记和致谢的部分外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。

6、研究生签名： 日期： 年 月 日学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明本人在导师指导下所完成的学位论文，学校有权保存其电子和纸制文档，可以借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。本学位论文属于：1. 保密 ，在 年解密后适用于本声明；2.不保密 。研究生签名： 导师签名： 日期： 年 月 日毕业论文基本要求毕业论文基本要求1毕业论文的撰写应结合专业学习，选取具有创新价值和实践意义的论题。2论文篇幅一般为 8000 字以上，最多不超过 15000 字。3论文应观点明确，中

7、心突出，论据充分，数据可靠，层次分明，逻辑清楚，文字流畅，结构严谨。4论文字体规范按广东金融学院本科生毕业论文写作规范和“论文样板”执行。5论文应书写工整，标点正确，用微机打印后，装订成册。指导教师评阅书指导教师评阅书指导教师评价：指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情

8、况 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩：建议成绩： 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格（在所选等级前的内画“”）指导教师：指导教师： （签名） 单位：单位： （盖章）年年 月月 日日评阅教师评阅书

9、评阅教师评阅书评阅教师评价：评阅教师评价：一、论文（设计）质量一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）水平二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩：建议成绩： 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师：评阅教师： （签名）

10、 单位：单位： （盖章）年年 月月 日日教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平三、论文（设计）水平1

11、、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩：评定成绩： 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格（在所选等级前的内画“”）教研室主任（或答辩小组组长）：教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年年 月月 日日教学系意见：教学系意见：系主任：系主任： （签名）年年 月月 日日毕业设计毕业设计( (论文论文) )任务书任务书学生姓名专业班级自动化 1103指导教师工作单位设计(论文)题目基于 PLC 的矿用通风机监控系统的设计

12、设计（论文）主要内容:1、 设计矿用通风机监控系统的总体方案；2、 设计系统的硬件电路；3、 设计系统的程序；4、 运行系统并调试。要求完成的主要任务及其时间安排:1、 论文应包括以下几个部分：任务书开题报告目录摘要ABSTRACT绪论正文结论（或结束语）致谢参考文献附录；2、 在论文的正文部分应包括：系统的总体方案设计、PLC 控制系统硬件及软件，组态监控部分、器件的选择、上下位机通信调试及结果分析等。3、 毕业设计成果在文字上要求字数 10000 字以上。4、 设绘工作量：不少于 3 张图纸。5、 阅读文献不低于 10 篇，其中外文文献不少于 2 篇。要求完成的主要任务及其时间安排:1、

13、第 1-2 周 布置毕业设计任务书，查阅文献资料，了解设计选题的主要内容；2、 第 3-4 周 完成开题报告；3、 第 5-6 周 完成系统，硬件选择与设计；4、 第 7-9 周 完成系统软件设计；5、 第 1013 周 系统或相关环节进行调试、仿真或试验，验证设计的正确性、可行性。撰写毕业设计报告（初搞-修改-定搞） ；6、 第 14 周 根据指导老师和答辩小组评阅的意见修改论文；7、 第 15 周 毕业答辩。必读参考资料：1 柳春生 编著.电器控制与 PLC.机械工业出版，2010.2 常斗南 主编.PLC 运动控制实例与解析（西门子）.机械工业出版社，2009.3 李新光等.过程检测技术

14、.北京：机械工业出版社 2004.94 王志锋 主编.工控组态软件.电子工业出版社，2007. 指导教师签名： 教研室主任签名： 毕业设计毕业设计( (论文论文) )开题报告开题报告题目 基于 PLC 的矿用通风机监控系统的设计1目的及意义（含国内外的研究现状分析）：煤矿的安全生产中，矿井通风系统起着极其重要的作用，它是煤矿安全生产的关键环节。而矿井通风机又是矿井通风系统的主要设备之一，它担负着向井下输送新鲜空气、排出粉尘和污浊气流的重任，具有“矿井肺腑”之称。由于井下工作环境恶劣，主通风机工作电压较高，电流较大，出现故障的概率也较大。一旦发生故障，将会对整个矿区的生产和安全造成重大影响。因此

15、，有必要建立一套功能完善的自动监控系统，实现矿井主通风机性能及状态的在线实时监测，以便在生产过程中及时掌握主通风机的运行参数和状态，因此对其进行 PLC 控制的变频调速系统的设计和研究，不仅可以大大提高煤矿生产的机械化、自动化水平，还能节省大量的电能，具有较高的经济效益。我国煤矿通风机监控系统虽然有了较长时间的发展，但整体发展相比国外还是比较落后，据统计，煤矿事故 70%以上是由于通风设备故障、通风管理不善等所造成，因此对井下通风系统以及通风设备的监测监控有了更高的要求。现如今高压变频技术、智能控制技术、传感器技术、现场总线技术以及工业以太网技术的迅速发展，为煤矿生产规模的扩大、生产效率的提高

16、提供了技术支持，煤矿生产中可以利用设备在线监测监控等相关技术，实时调节风机运行状态，及早发现故障隐患，这样不但提高了煤矿生产的安全性也提高了生产效率。本监控系统就是在此背景下提出的。国外很早就对风机进行了研究。至 90 年代，一般的风机均配有在线监控系统，集保护、检测、控制于一体，不但能实现风量的自动调节，主要能进行故障诊断，预测使用寿命，预报维修极限，成功地对风机进行检测，有效的保证了矿井通风系统的安全运行。美国煤矿使用的主风机以轴流式为主，近年来开始采用在运行中可以改变叶片角度的液压式动叶可调风机，这种风机的优势是节能效果突出。德国以 TLT 公司为代表，采用液压式动叶调节的轴流通风机，其

17、运行效率可保持在83%88%以内1。国内在风机的风速调节和运行效率方面起步比较晚，风量调节方法比较落后，需要在停机的情况下进行手动调节或者是隔一段时间才能调节一次。这种人工操作方法只能做到阶段性调节而不能做到及时连续自动调节，这种方法实时性差，风量控制不准确，自动化程度不高；另外，我国煤矿主通风机一般都在远离煤矿管理部门的井田边缘，通风设备的管理由于风量参数不能实现在线监测而成为煤矿自动化管理的薄弱环节。而且大部分厂家只对设备进行简单的点测，或是对风机进行简易的诊断，可想而知其风机的不可靠性。近几年来，才陆续有几家大中型企业开始安装专用检测诊断设备对风机进行了长期检测，可以看出，我国自动化工艺

18、与国外还是存在着一定的距离。2基本内容和技术方案：图 1 控制结构图基本内容：1 实现信号采集与实时监测，包括风机的运行状态、故障状态、负压、流量、轴承振动、轴承温度、定子温度、电压、电流、功率、效率等。2 控制系统能实现风机手动和自动变频运行的切换，使风机处于工频或变频运行状态。在变频运行时，该系统能根据压力传感器的模拟量输入，经 PLC 内部运算，计算出系统满足安全生产所需的风量大小对应的变频器输入电压值，经扩展模块模拟量输出控制变频器自动调整风机的转速。3 本系统能实现多种报警功能，如风机定子，轴承温度超限，电动机振动异常报警，以及变频器出现故障及时报警，及时处理的功能。4 用工程制图软

19、件绘制系统主电路图和 PLC 及扩展模块接线图。5 用 STEP7-Micro/WIN 编程软件编出 PLC 梯形图。3进度安排：第 1-2 周 布置毕业设计任务书，查阅文献资料，了解设计选题的主要内容；第 3-4 周 完成开题报告；第 5-6 周 完成系统，硬件选择与设计；第 7-9 周 完成系统软件设计；第 1013 周 系统或相关环节进行调试、仿真或试验，验证设计的正确性、可行性。撰写毕 业设计报告（初搞-修改-定搞） ；第 14 周 根据指导老师和答辩小组评阅的意见修改论文；第 15 周 毕业答辩4指导老师意见：指导教师签名： 年 月 日 郑郑 重重 声声 明明本人郑重声明：所呈交的论

20、文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。本人签名： 日期： 目目 录录摘 要 1Abstract 21 绪论.81.1 矿井通风系统简介 .111.2 国内外研究状况 .111.3 课题的主要研究内容 .122 通风系统及主扇风机控制方案.32.1 通风系统的设计方案 .42.2 矿井主扇风机的控制方案 .52.2.1 矿井主扇风机概述.52.2.2 矿井主扇风机的供电系统.53 系统硬件构成及各部分功能.63.1 PLC 可编程控制器部分 .63.1

21、.1 PLC 概述 .63.1.2 PLC 的应用 .73.1.3 典型的 PLC 产品.73.1.4 PLC 外部 I/O 连接 .73.1.5 I/O 接线图 .93.2 变频器 .103.3 变频器的选型和容量的确定 .103.4 离心风机 .113.5 模数转换模块 .134 通风系统硬件的设计.144.1 硬件电路 .144.2 系统控制电路设计 .155 软件设计.155.1 通风系统的主要参数监控 .255.2 瓦斯浓度控制 .155.3 压力的监测 .165.4 温度的监测 .185.5 流量的监测 .195.6 电气参数的测量与监测 .205.7 振动的监测 .205.8 信

22、号采集设备 .206 结 论 .22参考文献.22附录 A .23致 谢.31 摘摘 要要 可编程控制器(PLC)是一种以微处理器为核心,综合了计算机技术、自动控制技术和网络通信技术的通用工业控制装置。它具有使用方便、维护容易、可靠性好、性能价格比高等特点,广泛应用于工业控制的众多领域。 煤矿主通风机是煤矿生产的重要设备，通风机能否正常工作，直接影响煤矿的生产活动。因此对主通风机实现在线监控有很重要的意义。本文针对通风机的工作环境和运行特点，以 PLC 为主控设备，介绍了可编程序控制器（PLC）在煤矿通风系统中的应用；探讨了通风机实现自动控制系统的系统组成和设计；涉及硬件设备的选型与组态；编制

23、了通风机实现自动控制梯形图；并简要介绍了 PLC 与其他智能装置及个人计算机联网,组成的监控系统。本系统提高了主通风机设备的自动化管理水平，有力地保证了主通风机设备的经济、可靠运行，为设备的管理和维修提供了可靠的科学依据。 关键词：煤矿通风机； PLC； 在线监控 ABSTRACT Programmable Logic Controller is a kind of universal industrial control apparatus,which taking microprocessor as its core, integrating information technology,

24、automation control technology,networking communication technology. It is applied in more and more industry control fields with the characteristics such as easy application, easy maintenance, well reliability, high performance-price ratio. Primary ventilators are the most important instruments of the

25、 colliery.Their working state can directly influence the coal producing processs. Therefore, online monitoring of the main fan there is of much significance. this paper introduced the application of Programmable Logic Controller (PLC) in the coal mine ventilation system ; Discussed the system compos

26、ition and the design of ventilator realization automatic control system ;Included selection and configureation of hardware; Established the LAD chart of the ventilator realization automatic control ; And briefly introduced the consisting of monitoring system , the system including PLC and other inte

27、lligent installments and the personal computer networking, This system raised the automatic management level of the main fanner equipments，guaranteeing the economy of the main fanner equipments circulate credibility. For the management of the equipments and maintained, this system can provide depend

28、able scientific warranty.Keywords: Coal mine ventilator; PLC; Online monitoring 1 1 绪论绪论1.1 矿井通风系统简介矿井通风系统是矿井通风方式、通风方法和通风网络的总称，基本任务是：供给井下足够的新鲜空气，满足人员对氧气的需要，冲淡井下有毒有害气体和粉尘，保证安全生产，调节井下气候，创造良好的工作环境，所以本设计主要是对通风系统内的风压风量及瓦斯浓度的控制。矿井通风系统由影响矿井安全生产的主要因素所决定。根据相关因素把矿井通风系统划分为不同类型。根据瓦斯、煤层自燃和高温等影响矿井生产安全的主要因素对矿井通风系统

29、的要求，为了便于管理、设计和检查，把矿井通风系统分为一般型、降温型、防火型、排放瓦斯型、防火及降温型、排放瓦斯及降温型、排放瓦斯及防火型、排放瓦斯与防火及降温型几种，依次为 1-8 八个等级。矿井通风方式有串联通风和并连通风两种。按进回风巷在井田位置不同，通风系统分为中央式 、对角式 、分区式和混合式矿井通风系统。 矿井通风系统是由通风机和通风网络两部分组成。风流由入风井口进入矿井后，经过井下各用风场所，然后进入回风井，由回风井排出矿井，风流所经过的整个路线称为矿井通风系统。 矿井通风方法以风流获得的动力来源不同，可分为自然通风和机械通风两种。 （1）自然通风：利用自然气压产生的通风动力，致使

30、空气在井下巷道流动的通风方法叫做自然通风。自然风压一般都比较小，且不稳定，所以煤矿安全规程规定：每一矿井都必须采用机械通风。 （2）机械通风：利用扇风机运转产生的通风动力，致使空气在井下巷道流动的通风方法叫做机械通风。采用机械通风的矿井，自然风压也是始终存在的，而且也并在各个时期内影响着矿井的通风工作，在通风管理工作中应给予充分重视。矿井通风系统的基本要求是：1每个矿井，至少要有两个通到地面的安全出口。 2进风井口要有利于防洪，不受粉尘，有害气体污染。 3北方矿井、井口需装供暖装备。 4总回风巷不得作为主要人行道。 5工业广场不得受扇风机噪音干扰。 6装有皮带机的井筒不得兼作回风井。7装有箕斗

31、的井筒不应作为主要进风井。 8可以独立通风的矿井，采区应尽量独立通风，不宜合并一个通风系统。保证系统能够独立地进行工作，这样当一个矿井出现故障时，另一个矿井的通风工作不受影响。使生产不受大面积的受阻。9通风系统要为防治瓦斯、火、尘、水及高温创造条件。 10通风系统要有利用深水平或后期通风系统的发展变化 61.2 国内外研究状况矿井通风系统分析技术现状煤矿通风系统是保障安全生产的基础同时又受制于煤层地质条件及由此形成的矿山井巷系统的特点。近年来煤矿扩能及生产的集约化成为了普遍的趋势矿井装备水平迅速提高系统有了明显的简化。但是现在仍有大量开采多年的老矿系统极为复杂大量新井产能的高度集中造成了系统新

32、的隐患矿井在日常生产中所遵从的分区通风格局抗灾能力不足在强烈的扰动面前有可能形成严重的风流紊乱因而需要有预先的判断和分析矿井主扇和通风构筑物作为矿井通风系统的重要构成部分其参数选取、布局、可靠性等均对系统的合理运行起着重要的作用1。因此矿井通风系统的合理性、可靠性和抗灾能力分析对于防止通风瓦斯及煤层自燃等意外的出现对于矿井预防处理通风瓦斯意外及灾变的能力对于提高矿井安全管理水平均有着重要的作用。 我国煤矿的重、特大瓦斯事故所造成的井下人员大量伤亡均源于通风系统抗灾能力不足致使正常生产时的分区通风在瓦斯爆炸条件下受到破坏爆炸气体进入了爆源以外的广泛区域使其他通风分区乃至全矿井下的人员中毒死亡。研

33、究瓦斯爆炸对分区通风的破坏机理对瓦斯爆炸条件下通风系统的抗灾能力予以定量评价和分级研究灾变条件下维持分区通风的条件和相应措施对于提高通风网络的抗灾能力有着现实的意义。 煤矿安全规程对煤矿通风有严格的要求和限制特别在高突矿井明确禁止使用串联通风。因此以各采掘工作面为核心的分区通风成为了煤矿通风的基本规定和实践。在矿井灾变条件下维持正常分区通风的能力是评价矿井通风系统抗灾能力的基本考虑因素。除巷道布置这一重要但难以调整的因素之外分区通风及风量分配调节主要依靠于风门、风窗等通风设施的应用其类型、数量、分布上的合理性是影响通风系统合理性的基本因素扇风机及通风构筑物受矿井生产活动及灾变影响而失去原定功能

34、时矿井通风维持在合理水平上的能力则是通风系统可靠性的重要标志。矿井通风是一个古老的技术领域但对灾变条件下维持分区通风的相关技术、特别对于瓦斯爆炸与通风系统的相互作用缺乏必要的理论与实验研究。我国瓦斯爆炸频发许多爆炸力学工作者对气相爆轰进行过深入研究瓦斯爆炸方面的文献十分丰富但现有的成果与煤矿井下的实际尚有较大差距如井下特有的结构设施、巷道特征等等研究煤矿井下结构设施与瓦斯爆轰波及冲击波相互作用的成果较少井下通风设施抗爆强度的理论研究基本是空白现有的文献多限于事故现象的简单描述。深入系统地研究煤矿井下瓦斯燃爆的物理机制及其灾害效应对于正确评价分析煤矿预防瓦斯爆炸安全等级、科学地改进井下通风设施和

35、巷道布置具有极其重要的学术价值和实际意义。在此基础上模拟了氢氧燃烧驱动的破膜过程以及破膜前后压缩波、稀疏波对火焰阵面的影响。同时也研究了瓦斯爆炸过程中压力波、火焰与障碍物的相互作用。近几年国内学者开展了瓦斯煤尘爆炸机理、传播规律及防治对策的研究工作同时也揭示了瓦斯爆炸火焰的结构特征及其影响因素揭示了瓦斯爆炸过程中爆炸波的特征参数变化规律及其影响因素开展了壁面热效应对瓦斯爆炸传播规律影响作用的实验研究建立了管内瓦斯爆炸能量平衡方程。通过理论分析、数值模拟和实验研究煤矿井下巷道条件对瓦斯爆炸及其冲击波衰减的影响规律研究各种通风设施结构与爆轰波、冲击波的相互作用研究各种通风设施结构在冲击波载荷下的破

36、坏过程和极限强度将能够对矿井分区通风的抗灾能力对矿井通风系统的合理性、可靠性及抗灾能力予以定量的评价和分级这些都是当前该研究领域的前沿课题。101.3 课题的主要研究内容和机构安排煤矿矿井通风系统是煤矿矿井安全生产的重要组成部分，煤矿矿井通风系统能否正常工作与矿井内工作环境条件、生产效率、安全生产密切相关。随着我国政府对各行各业安全生产监管力度的不断加强，尤其对煤矿安全生产的要求越来越高，对煤矿矿井通风系统进行技术改造，提高其运行稳定性、可靠性、节能降耗等势在必行。目前煤矿矿井通风系统的控制系统，大多仍采用继电、接触器控制系统，但这种控制系统存在着体积大、机械触点多、接线复杂、可靠性低、排除故

37、障困难等很多的缺陷；如果工作通风机不采用变频控制，那么矿井通风量的调节方法，只能依靠两个垂直风门提起的高度，和调节风机扇叶的数量和角度。那么主通风机就会一直高速运行，备用通风机停止，不能轮休工作，易使工作通风机产生故障，降低使用寿命，也会造成很大的能源浪费。针对这一系列问题，随着电子技术和微电子技术的迅速发展，PLC 和变频器正成为通用、廉价和性能可靠的控制和驱动设备，得到广泛的应用。本系统将 PLC 与变频器有机地结合起来，采用以矿井气压压力为主控参数，实现对电动机工作过程和运转速度的有效控制，使矿井中用的离心通风机通风高效、安全，达到了明显的节能效果。由 PLC 控制的变频调速离心风机的通

38、风系统，具有较高的可靠性和较好的节能效果，易于组建成整体的自控系统，很方便地实现各种控制切换和远程监控。PLC 控制系统还具有对驱动风机的电机过热保护、故障报警、机械故障报警和瓦斯浓度断电等功能特点，为煤矿矿井通风系统的节能技术改造提供一条新途径。1.3.2 本文结构安排本论文以矿井对旋轴流风机为研究对象，以西门子 S7-200 可编程逻辑控制器作为监控核心，运用温度，压力，振动等传感器和电量采集单元对风机运行状态以及各种电量参数进行检测。同时，利用 PLC 和上位机之间的通信实现通风机运行的在线监控。本论文还讨论了利用变频器控制通风机的变频运行，实现风机的高效节能运行。具体地说，本论文的主要

39、研究内容如下：1 实现信号采集与实时监测，包括风机的运行状态、故障状态、负压、流量、轴承振动、轴承温度、定子温度、电压、电流、功率、效率等。2 控制系统能实现风机手动和自动变频运行的切换，使风机处于工频或变频运行状态。在变频运行时，该系统能根据压力传感器的模拟量输入，经 PLC 内部运算，计算出系统满足安全生产所需的风量大小对应的变频器输入电压值，经扩展模块模拟量输出控制变频器自动调整风机的转速。3 本系统能实现多种报警功能，如风机定子，轴承温度超限，电动机振动异常报警，以及变频器出现故障及时报警，及时处理的功能。4 用工程制图软件绘制系统主电路图和 PLC 及扩展模块接线图。5 用 STEP

40、7-Micro/WIN 编程软件编出 PLC 梯形图。6 用 PROFIBUS-DP 现场总线和工业以太网完成对 PLC 通信网络的组建。7 模拟风机运行情况，用组态王软件绘制煤矿主通风机在线监测系统主界面和 PLC 控制变频器调速系统主界面。并生成性能参数实时曲线和历史趋势曲线，监测数据归档、数据报表查询及打印，以及瓦斯浓度、风量、风压等监控量的趋势曲线、超限报警和数据报表功能。2 2 通风系统及主扇风机控制方案通风系统及主扇风机控制方案本论文设计的矿井主扇风机的控制主要是对风压、风量及瓦斯浓度的的调节和控制两部分。风机风量的调节中引入变频器对风机风速的调节，据所需风量和风压大小通过变频器来

41、调节风机的转速在节能和提高风机效率方面具有无与伦比的优点。本控制系统具有离心通风机组的启动、互锁和过热保护等功能。与常规继电器实施的通风系统相比，PLC 系统具有故障率低、可靠性高、接线简单、维护方便等诸多优点，PLC 的控制功能使通风系统的自动化程度大大提高，减轻了岗位人员的劳动强度。PLC 和变频器与空气压力变送器配合使用，使系统控制的安全性、可靠性大大提高，也使通风机运行的故障率大大降低，不仅节约了电能，而且还提高了设备的运转率。为满足矿井通风系统自动控制的要求，系统的具体设计要求如下：（1）本系统提供手动自动两种工作模式，具有状态显示以及故障报警等功能。（2）模拟量压力输入经 PID

42、运算，输出模拟量控制变频器。（3）在自动方式下，当井下压力低于设定压力下限时，两组风机将同时投入工作运行，同时并发出指示和报警信号。（4）模拟量瓦斯输入，当矿井瓦斯浓度大于设定报警上限时，发出指示和报警。当瓦斯浓度大于设定断电上限时，PLC 将切断工作面和风机组电源，防止瓦斯爆炸。（5）运用温度传感器测定风机组定子温度或轴承温度，当定子温度或轴承温度超过设定报警上线时，发出指示和报警信号。当定子温度或轴承温度超过设定风机组转换温度界线时，PLC 将切断指示和报警信号并自动切断当前运行风机组，在自动方式下并能自动接入另一台风机组运行，若在手动方式下，工作人员手动切换。（6）为防止离心风机的疲劳运

43、行，在任何状态下，风机在累计运行设定时间后都会自动切换至另一台风机组运行。下图是通风系统原理框图。图 2.1 通风系统原理框图2.1 通风系统的设计方案本通风控制系统主要由 2 台离心风机组成，每台离心风机有两台电机，每台电机驱动一组扇片，两组扇片是对旋的，一组用于吸风，一组为增加风速，对井下进行供风。根据井下用风量的不同，采用不同型号的风机。本设计以风机 2 45 kW 为例，选用一台 S7200 PLC、空气压力传感器和变频器等组成一个完整的闭环控制系统。其中还包括接触器、中间继电器、热继电器、矿用防爆型磁力启动器、断路器等系统保护电器，实现对电机和 PLC 的有效保护，以及对电机的切换控

44、制。本 PLC 控制系统具有对通风机的电动机启动与运行，进行监控、联锁和过热保护等功能。PLC 与空气压力变送器配合使用，使系统控制的安全性、可靠性大大提高，也使通风机运行的故障率大大降低，提高了设备的运转率。为满足煤矿矿井通风系统自动控制的要求，设计如下的控制方案：本系统提供手动 /自动两种工作模式，具有现场控制方式、状态显示以及故障报警等功能。在手动方式下，通风机通过开关进行控制，不受矿井内气压的影响。为防止通风机疲劳运行，在任何状态下风机在累计运行设定时间后要切换至另一台风机运行。A 组离心通风机与 B 组离心通风机可由二位开关转换。循环次数及定时时间可根据需要随机设定。报警信号均为声光

45、形式，声报警 (电笛 )可用按钮解除 ,报警指示在故障排除后自动消失。在自动方式下，利用远传空气压力传感器检测矿井内的气压信号，用变送器将现场信号变换成统一的标准信号 (如 420 mA 直流电流信号、0 10 V 直流电压信号等 )，送入 A /D 转换模块进行模数转换，然后送入 PLC，PLC 将检测到的气压值与设定的气压值进行比较和处理，输出信号控制通风机工作。当矿井内的气压在一个大气压或在设定的某个大气压力数值以上，工作离心通风机与备用离心通风机循环工作；当出现突发事故，矿井内的气压低于设定的某个大气压力数值，工作离心通风机与备用离心通风机不再循环工作，并自动切换为同时工作，加大对矿井

46、内的通风量，直至矿井内的气压升至设定的大气压力数值以上，工作通风机与备用离心通风机恢复循环工作。在有瓦斯的矿井供风系统中，矿井内的瓦斯浓度传感器检测瓦斯浓度，用变送器将现场信号变换成统一的标准信号，送入 A /D 转换模块进行模数转换，然后送入 PLC，同样 PLC 将检测到的数值与设定的数值进行比较，当瓦斯浓度大于设定数值后，PLC 输出信号控制通风机停止工作，并输出信号自动切断井下的电源，满足风电联锁要求，以免电子火花点着瓦斯，防止瓦斯爆炸事故发生。2.2 矿井主扇风机的控制方案2.2.1 矿井主扇风机概述地面主扇风机其整体性好，并且采用内置防爆电机拖动,不受外界干扰。风机的主要特点是：1

47、、本设计采用电机与叶轮直联的方法，简化了传动结构，改变了当前煤矿抽出式轴流风机全部采用皮带轮传动或长轴传动的复杂结构，使维修和操作方便。2、本设计配套电机为 YB 系列的 YBFe 派生系列，隔爆型三相异步电机。电机置于全封闭型，并具有一定耐压强度的密闭散热罩中并于外界非瓦斯气相通。使电机始终处于无瓦斯空气之中运行，起到了双重隔爆效果。3、风机与扩散器之间设置后导叶，以提高静压效率，使得节能效果显著。与目前使用的局扇群相比，可节电六倍，与离心式风机相比可节电 40%。 4、该机可以反转反风，不必另设反风道，具有节约基建投资和反风速度快的优点。 5、叶轮的叶片安装角度可以调整，其范围为：30 度

48、、33 度、36 度、39 度、42 度五个角度级。在使用同一规格风机中，可根据生产扩大的要求来调整叶片安装角度。 6、该机配置了防止摩擦火花装置，确保了整机安全防爆性能。 7、该机采用特殊设计，性能曲线无驼峰，在任何网络阻力情况下，均能稳定运行。2.2.2 矿井主扇风机的供电系统风机的供电系统采用了室外箱式一体化结构。按功能划分为高压配电室，低压配电室，变压器室。风机系统的主要设备：（1）高压电机：高压电机：每台风机安装有两台 6kv 高压异步电动机，电机容量为 315kW。电机安装了三相定子和前后轴承温度传感器。（2）变压器：为了保证附属设备的可靠工作，安装了两台 50kva，为低压柜供电

49、。变压器安装了温度监控器，监控 3 相温度，当温度超限能自动启停风机降温。（3）进线柜：包括两台进线柜，为风机系统的两台进线开关。（4）联络柜：实现风机供电系统的母线联络。（5）换向柜：两台换向柜，由接触器组成。主要实现两台风机电机的正反转。（6）箱变房：采用一体化设计，外观整洁大方，按功能划分为高压配电室，低压配电室，变压器室，PLC 控制室。3 3 系统硬件构成及各部分功能系统硬件构成及各部分功能3.1 PLC 可编程控制器部分3.1.1 PLC 概述PLC 即可编程控制器（Programmable logic Controller，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在 1987

50、年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的 PLC 标准草案中对 PLC做了如下定义：PLC 英文全称 Programmable Logic Controller，中文全称为可编程逻辑控制器，定义是：一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程，PLC 是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有 PLC。PLC

51、 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。（1）CPU 的构成CPU 是 PLC 的核心，起神经中枢的作用，每套 PLC 至少有一个 CPU，它按 PLC 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和 PLC 内部电路的工作状态和

52、编程过程。CPU 主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU 单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是 PLC 不可缺少的组成单元。CPU 速度和内存容量是 PLC 的重要参数，它们决定着 PLC 的工作速度，I/O 数量及软件容量等，因此限制着控制规模。（2）I/O 模块PLC 与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O 模块集成了 PLC 的 I/O 电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入 PLC 系统，输出模块相反。I/O 分为开关量输入（DI）

53、 ，开关量输出（DO） ，模拟量输入（AI） ，模拟量输出（AO）等模块。常用的 I/O 分类如下：开关量：按电压水平分，有 220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA） 、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有 12bit，14bit，16bit 等。除了上述通用 I/O 外，还有特殊 I/O 模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按 I/O 点数确定模块规格及数量，I/O 模块可多可少。但其最大数受 CPU 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。（3）电源

54、模块：PLC 电源用于为 PLC 各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供 24V 的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC 或 110VAC） ，直流电源（常用的为24VDC） 。3.1.2 PLC 的应用（1）在制造工业（以改变几何形状和机械性能为特征）和过程工业（以物理变化和化学变化将原料转化成产品为特征）中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968 年美国 GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出

55、了基于集成电路和电子技术的控制装置，使得电气控制功能实现的程序化，这就是第一代可编程序控制器，英文名字叫 Programmable Controller（PC） 。4（2）随着电子技术和计算机技术的发生，PC 的功能越来越强大，其概念和内涵也不断扩展。（3）上世纪 80 年代，个人计算机发展起来，也简称为 PC，为了方便，也为了反映或可编程控制器的功能特点，美国 A-B 公司将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器 Programmable Logic Controller（PLC） ，并将“PLC”作为其产品的注册商标。现在，仍常常将 PLC 简称 PC。（4）上世纪 80 年代至 90 年

56、代中期，是 PLC 发展最快的时期，年增长率一直保持为 3040%。在这时期，PLC 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的 DCS 系统。（5）近年，工业计算机技术（IPC）和现场总线技术（FCS）发展迅速，挤占了一部分 PLC 市场，PLC 增长速度出现渐缓的趋势，但其在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。（6）目前，世界上有 200 多厂家生产 300 多品种 PLC 产品，主要应用在汽车（23%） 、粮食加工（16.4%） 、化学/制药（14.6%）

57、 、金属/矿山（11.5%） 、纸浆/造纸（11.3%）等行业。3.1.3 典型的 PLC 产品（1）国外 施耐德公司， Quantum、Premium、Momentum 等； 罗克韦尔（A-B 公司） ，SLC、MicroLogix、Control Logix 等； 西门子公司， SIMATIC S7-400/300/200 系列；GE 公司日本欧姆龙、三菱、富士、松下等。5（2）国内PLC 生产厂约 30 家，但没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品，还有一部分是以仿制、来件组装或“贴牌”方式生产。考虑到性能和稳定性，硬件采用西门子公司的 S7-300 系列 PLC，同时采用光电隔离、接地、

58、变压器隔离等硬件抗干扰措施和数字滤波等软件抗干扰措施，系统可靠性高，稳定性好。3.1.4 PLC 外部 I/O 连接根据系统的要求，选取 S7-200 PLC CPU224 作为控制核心，CPU224 的 I/O 点数是 14 /10;扩展了1 个 EM 231 模拟量输入模块，它是 A /D 转换模块，具有 4 个模拟量输入，12 位 A /D，其采样速度25s，空气压力传感器、瓦斯浓度传感器采集的信号经过变送器调理和放大处理后，成为 0 10 V 的标准信号，再经过 EM231 模块自动完成 A /D 转换；同时扩展了 1 个 EM222 数字量输出模块，它有 8个数字量的输出点，作用是提

59、供附加的输出点，这样完全可以满足系统的要求。煤矿矿井通风控制系统的设计主要涉及 10 个数字量输入和 2 个模拟量输入，15 个数字量输出。设置 6 个操作键、4 个开关量传感器和 2 个模拟量3。传感器作输入信号，如表 1 所示。这 6 个操作键分别是自动方式开关、手动方式开关、停机按钮、消音按钮及 2 个在手动控制下控制通风机运行的按钮开关，4 个开关量传感器为拖动通风机的吸风电机和增风速电机发生堵转故障时热继电器的控制开关，其中扩充了 1 个 EM231 的模拟量输入模块，主要是用于转换气压信号和瓦斯浓度信号的。表 3.1 PLC I/O 接口分配表输入输出序 号 名称地址序号 名称地址

60、1A 风机 1 电机状态I0.01故障显示Q0.02A 风机 2 电机状态I0.12中高气压显示Q0.13B 风机 1 电机状态I0.23低气压显示Q0.24B 风机 2 电机状态I0.34报警Q0.35A 风机控制开关I0.45继电器 KM1Q0.46B 风机控制开关I0.56继电器 KM2Q0.57消音开关I1.07继电器 KM3Q0.68自动开关I1.18继电器 KM4Q0.79手动开关I1.29A 风机 1 电机运行显示Q1.010停止按钮I1.310A 风机 2 电机运行显示Q1.111气压信号I2.011B 风机 1 电机显示Q1.212瓦斯信号I2.112B 风机 2 电机显示Q

61、2.013手动状态显示Q2.114自动状态显示Q2.215瓦斯浓度值Q2.33.1.5 I/O 接线图 图 3.2 I/O 接线图3.2 变频器异步电动机是电力、化工等生产企业最主要的动力设备。作为高能耗设备，其输出功率不能随负荷按比例变化，大部分只能通过挡板或阀门的开度来调节，而电动机消耗的能量变化不大，从而造成很大的能量损耗。近年来，随着变频器生产技术的成熟以及变频器应用范围的日益广泛，使用变频器对电动机电源进行技术改造成为各企业节能降耗、提高效率的重要手段。 n=60f(1s)/p (1)式中 n异步电动机的转速； f异步电动机的频率； s电动机转差率； p电动机极对数。 由式(1)可知

62、，转速 n 与频率 f 成正比，只要改变频率 f 即可改变电动机的转速，当频率 f 在050Hz 的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频调速就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的。变频器主要采用交直交方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制 4 个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为 IGBT 三相桥式逆变器，且输出为 PWM 波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。3.3 变频器的选型和容量的确定本系统选用的是西门子全新一代标准变频器 M

63、icroMaster440 功能强大，应用广泛。它采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，以满足广泛的应用场合。在电机的容量确定并选定其型号后，接下来就要确定变频器的容量。确定变频器容量的主要依据是输出电流，其原则为：变频器的输出额定电流应大于或等于电机的额定电流。但在连续的变动负载或断续负载中，因电动机允许有短时间的过载，而且这种过载的时间经常超过变频器一般允许的一分钟。故应考虑选择变频器的额定电流大于或等于电动机运行过程中的最大电流9。电动机的型号确定后，其额定电流可以从制造商提供的样本中查到。或者，也可从电机的输出功率由下式计算cos3UIP

64、 (2) 式中，P 为额定输出功率（KW） ；U 为额定电压（KV） ；I 为额定电流（A） ； 为电机效率；cos为功率因数。S7-200PLC 作为核心控制部件，它有总线访问权，可以读取或改写变频器的状态，控制软起动器的运行状态，从而达到控制和监视设备运行状态的目的。系统采用总线式拓扑结构，两台变频器采用总线接插件连入总线。S7-200 选用 S7-222CPU，软件采用通信口功能，即 RS485 通信口。由用户程序实现 USS 协议与两台 MM430 变频器通信。在硬件连接完毕后，需要对两台 MM430 变频器的通信参数进行设置，如表 3.3 所示。表 3.3 变频器参数的设定参数号参数

65、值说明Fr13固定频率 1P0110第一加速时间设定P0210第一减速时间设定P03FF频率范围(v/f 方式)P0520DC 提升水平P081变频器起停正反转控制方式P15200电动机运行最大频率P1650电动机运行基本频率P182多段速率加速连动运行P32170固定频率 2P3310固定频率 3P3423固定频率 4P35130固定频率 5P395第二加速时间设定P405第二减速时间设定3.4 离心风机我国矿井使用的离心式通风机主要就是 G4 73 系列离心式通风机，G4 73 系列离心式通风机最初是为锅炉通风(引风) 设计的，后来被引用到矿井通风中并拥有一定的市场占有量。该系列离心式通风

66、机的特点是特性曲线较平缓、无驼峰、运行噪声较小、效率高。启动时关闭调节门(也叫前导器)，具有启动功率较小，启动容易的特点。运行时调节门可在 070范围内调节，用以改变运行工况，还可通过配置不同转速的电动机来改变其运行工况,适应性较好。G4 73 系列通风机的特性曲线较平缓，运行噪声较小，效率高，适用于通风阻力不是太大的中小型矿井。我国地方煤矿的矿井中使用该系列通风机较多，由于机型小，配置电动机的容量也小,可配用 380V 或 660V 电压的电动机，特别适用于无高压(6000V)供电的矿井使用。但对初、后期风压变化大的矿井，离心通风机的调节性能差。离心风机的作用：离心风机是依靠输入的机械能，提高气体压力并排送气体的机械，它是一种从动的流体机械。 离心风机广泛用于工厂、矿井、隧道、冷却塔、车辆、船舶和建筑物的通风、排尘和冷却；锅炉和工业炉窑的通风和引风；空气调节设备和家用电器设备中的冷却和通风；谷物的烘干和选送；风洞风源和气垫船的充气和推进等。 离心风机的工作原理与透平压缩机基本相同，只是由于气体流速较低，压力变化不大，一般不需要考虑气体比容的变化，即把气体作为不可压缩流体处理。离心风机